萬物——包含宇宙、建築物、甚至是你和我——正逐漸凋零並消逝。物理不僅在日常科技中扮演重要角色，它更主宰了人類文明的未來發展。身為21世紀成員的我們，務必意識到這些知識、議題、以及事實。
目錄：
- 科幻與現實 — 理論物理學家的任務
- 電腦的終結 — 物理與科技的挑戰
- 知識的尖端 — 物理學家的終極目標
- 消逝的宇宙 — 文明的未來與命運
科幻與現實——理論物理學家的任務
大體而言，我所專長的領域是量子力學、高能物理(亦即粒子物理學)、以及量子重力(即：弦論、M理論等等)。不少人即使對於物理學並不熟悉，或多或少也曾聽聞這些理論。然而，這些領域事實上與你我的生活息息相關。
相信各位都有閱讀過科幻作品的經驗。無庸置疑，那些劇情往往看似浮誇、且對於普羅大眾而言總是難以令人置信。然而，事實上有些情節與近代理論物理的研究是有所吻合的；換言之，理論物理其實是一門尖端的學術領域，甚至有助於實現那些看似虛幻的科幻情節。
舉例而言：「蟲洞」(wormhole)事實上源於愛因斯坦廣義相對論的一個可能解；「時間旅行」(time travel)在對於微觀尺度下的粒子而言是可行的；「多重宇宙」(multiverse)的概念源自於量子力學、並且在近年來在弦理論中重新復甦。這些理念看似出自於幻想而非現實；然而，某種程度上，它們在理論物理的框架中是確實可行的。
電腦的終結 — — 物理與科技的挑戰
雖然人們時常認為物理與生活中的科技無關緊要，但事實上，我們所知的一切科技大多數皆是基於物理定律。舉凡電視、手機、電腦等科技產品——它們皆是量子物理發軔後所衍生出來的產物。
根據著名的「摩爾定律」(Moore’s law)，我們電腦內部微晶片上的電晶體數量每18個月會倍增，換句話說，電腦的運算能力每一年半便會增快兩倍。愈小的電晶體意味著電腦愈驚人的運算速率。然而——大多數的電腦科學家與物理學家們相信：摩爾定律的終點便在不久的將來。
實際上，量子力學預測電晶體的尺寸將有一個上限，一旦電晶體瀕臨原子尺度的大小時，不確定性原理(uncertainty principle)將會主宰、致使電子溢出線管而短路。這就是為什麼當今人工智慧(AI, articifial intelligence)與深度學習(deep learning)的發展，將有可能在日後逐漸取代電腦的能力。
至於所謂的「量子電腦」(quantum computer)，其運算速度將會遠超過當今所有電腦的運算能力，其原理是基於量子計算的奇妙性質：根據量子論，一個粒子可以不受距離限制而干擾到遠方的另一個粒子，這稱之為「量子糾纏」(quantum entanglement)效應；更不可思議的是，根據實驗估算兩個粒子之間的交互作用，其通訊速率可能還超過光速( 這在古典物理中是不允許發生的)！因而，我們藉此便可以想像得到量子電腦所擁有的驚人計算能力。
知識的尖端——物理學家的終極目標
對於理論物理學家而言，物理的終極目的在於統一自然界所以交互作用。或許我們高中時期皆曾學過：自然界存有四大交互作用——強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用、以及重力交互作用。你或許會想問：「統一這些做諭令有什麼用？」事實上，科學家們相信在宇宙誕生——亦即「大霹靂」(Big Bang)——的一剎那，只存有唯一一個交互作用。漸漸地，隨著溫度逐漸冷卻，該交互作用也逐漸產生分歧，最後便形成了我們所能辨認的四大作用力。因此，統一所有交互作用便得以讓我們描繪出宇宙萬物的圖景；一旦知悉四大作用力的統一面貌時，便意味著解開了宇宙創生之謎。
迄今為止，物理學家已然統一了弱交互作用以及電磁交互作用，也就是所為的「電弱統一理論」(electroweak interacion)。至於強交互作用，目前量子場論(quantum field theory, QFT)可以將包含強作用力與電弱作用力在內的三者囊括於理論框架中。至於一個能描述這三者、並且確切的「統一理論」，物理學家將其稱之為「大統一理論」(grand unified theory, GUT)，然而該理論尚未被實驗所證實——這是因為驗證此理論將需要遠大於當今粒子對撞機所擁有的能量(一旦某個統一四大作用力的理論被實驗驗證時，其所需的能量相當於重現宇宙大霹靂當下的能量——也就是說，屆時的實驗規模相當於「創造」出一個宇宙)。
然而，「重力交互作用」似乎是最棘手的一個孩子。它無所不見於我們日常生活中，但目前能完善描述它的便是愛因斯坦的廣義相對論(general relativity)。對於物理學家而言，將重力併入量子場論的框架中描述可以說是最艱難的任務。眾多理論物理學家相信，當前最具潛力「量子重力」(quantum gravity)的候選者便是「弦論」(string theory)——這是一個將所有點粒子以一維「弦」來描述的深奧理論。
容我來說一些有關這理論最吸引人之處。首先，弦論預言我們的世界其實擁有10個維度；更進一步的理論——M理論(M-theory)——更預測我們是存在於一個11維時空中(我們生活於3維空間加上1維時間的「4維時空」表象，至於其餘維度皆捲縮於10^(-35)公尺的超微觀尺度下)。根據弦論的一個分支——「膜宇宙學」(brane cosmology)——我們的宇宙其實是一片嵌在更高維度「體空間」(bulk)中的2維「薄膜」(brane)。除此之外，弦論更指出共有10⁵⁰⁰個宇宙存在，與量子力學中的多重宇宙理論相呼應。最後，更需指出另一個更驚為天人的理論——「全像原理」(holographic principle)——該理論意味著：現實世界其實是2維的而非3維，而宇宙中的萬物(包括你我在內)皆相當於一幅3維的「全像圖」(hologram)！
「我們的宇宙難道只是漂浮在額外維度上的一片薄膜！？」「真實世界是2維的、我們所感知的一切皆是投影出來的幻象！？」你或許會認為這些理論既荒謬又沒有證據；然而，弦論無疑是當前「萬有理論」(theory of everything, ToE)的首要候選者、並且是物理學家們現今所致力於研究的對象。
消逝的宇宙——文明的未來與命運
建構一個完美的理論或實現科幻小說的情節對於未來的物理學家而言，並非是「終極的」目標。有些人曾經問過我：「你認為研究這些瘋狂的理論有何用武之地？」我總是如此回答：「當然，這些知識在此時此刻看似並無用武之地，然而，它們對於我們後代子孫而言是無比重要的、尤其是遙遠未來的人類文明。」因此，物理其實是一門探究未來的學科。
萬物正在老化並且消逝。花草終將枯萎，人類終將老去，星體終將坍縮為黑洞，同樣地，宇宙終有消逝的一刻。以物理的語言來說，這些現象是源自於所謂的「熵」(entropy)，粗略地說，便是系統「失序」的程度。容我闡明一些物理定律：根據熱力學第二定律——熵永遠不會減少。這定律指出：一個孤立系統會隨著時間而演化成漸趨失序的狀態。這就是為什麼即使是堅固的鋼筋也會有生鏽的一天，不僅是建築物、就連生命也會往老化的方向演進；並且——這過程是不可逆轉的。你也可以將其如此想像：當你把耳機放進口袋裡時，不知不覺地耳機線便會纏繞並打結；當人們毫無規劃生活時，繁雜的事務便會日積月累地增加並更加凌亂。反之，你無法在現實中看見破碎的馬克杯蹦地躍回桌面、也不可能看見坍塌的樓房自動堆砌回原狀——世界上的一切事物皆是朝著凌亂、老邁的方向演化，這就是「熵」的作用。簡言之，「熵」主宰了萬物，並且同時解釋了時間只往單一方向流動。
因此，隨著熵不斷增加，宇宙必然逐漸老化。有朝一日，當我們的宇宙瀕臨滅亡之時，我們的後代必然將意識到危機。那麼，他們能如何應對呢？這時我們所知的理論便可以派上用場。首先，根據弦論的解釋，當本宇宙崩塌時、捲縮在超微觀尺度下的額外維度將會擴展開來，這可以理解為：一個子宇宙正在創生並且擴大。接著，根據廣義相對論，屆時的人們應當已經有能力敞開時空的捷徑——蟲洞——從而搭建兩個宇宙間的橋樑。倘若不幸地，上述方法皆不可行，那麼他們仍可以等待量子躍遷(quantum leap)的發生。事實上，量子力學指出：在足夠長久的時間尺度下，所有意想不到的事物皆有可能發生；也就是說，蟲洞隨時都有可能在某一瞬間浮現。最終，人類或許能有機會逃離即將滅亡的宇宙、並且進入另一個剛創生的宇宙，或者以更先進的方法、讓文明得以在蟲洞的彼端再造並重生。
或許，對於現在的你我而言，這聽起來似乎異想天開；然而，有朝一日這將會成為一個嚴肅的話題。屆時，物理學家或許將扮演著保衛文明、智慧、乃至於宇宙的關鍵角色。綜上所述，當今科技基本上都是源自於物理定律。摩爾定律預言了傳統電腦的運算能力無法永遠地增快，因此，我們才必須開發出諸如量子電腦這些可替代的電腦工具。一些理論——例如時間旅行、蟲洞、以及多重宇宙——在現今看似不切實際，然而對於我們遙遠未來的文明後代而言，或許會成為十分重要的課題。
求生，是生命與生俱來的本能。在宇宙最終消逝的一刻，這些想法或許能為屆時的智慧文明提供出一張藍圖，從而讓萬物得以延續下去、永存不朽。
＊本文原文請參見：Physics, Technology, and the Future of Humans: A Dialogic Letter to Members in 21st Century.
